螺紋鎖緊環(huán)換熱器接管過渡短節(jié)的應(yīng)用分析

張昆

（蘭州蘭石重型裝備股份有限公司設(shè)計(jì)部（青島），山東青島 266520）

隨著近幾年國內(nèi)外煉油企業(yè)的加氫裂化和加氫脫硫裝置趨于大型化，螺紋鎖緊環(huán)式高壓換熱器的應(yīng)用也越來越廣泛。螺紋環(huán)式換熱器接管與外部管道的連接主要分為法蘭連接、接管與對接管道直接焊接、接管通過過渡短節(jié)與對接管道焊接三種方式。為了降低換熱器與管道連接處的泄漏風(fēng)險(xiǎn)，又便于接管與對接管道焊接，采用過渡短節(jié)連接換熱器接管和對接管道的方式越來越常見，如圖1 所示。本文分析了換熱器接管采用過渡短節(jié)與對接管道連接時(shí)的受力變化，并且總結(jié)了制造過程中的不同之處，為以后的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供依據(jù)。

圖1 接管通過過渡短節(jié)與對接管道連接Fig.1 Detail of nozzle and external pipeline connection using transitional short section

1 采用過渡短節(jié)與不采用過渡短節(jié)的受力分析對比

現(xiàn)以一臺(tái)高壓螺紋環(huán)換熱器管程設(shè)計(jì)條件進(jìn)行具體分析：設(shè)計(jì)壓力Pi=16.5 MPa，設(shè)計(jì)溫度250℃，鍛管材料14Cr1Mo 鍛件，接管端部受力如圖2 所示，L=200 mm， Fx=24 510 N，F(xiàn)y=24 510 N，F(xiàn)z= 24 510 N，Mx=22 760 000 N·mm，My=22 760 000 N·mm， Mz=22 760 000 N·mm，鍛管設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力[σ]t=153 MPa，接管端部外徑D=242 mm，接管內(nèi)徑d=202 mm。

圖2 帶短節(jié)接管受力Fig.2 Diagram of force on nozzle with transitional short section

1.1 采用過渡短節(jié)時(shí)，接管端部即圖2中B-B截面受力分析

1.1.1 軸向拉應(yīng)力

（1）由彎矩引起的軸向拉應(yīng)力σω：

∑My= My-Fz×L

∑Mz= Mz-Fy×L

總彎矩：

彎矩引起的軸向拉應(yīng)力：

（2）Fx作用的軸向拉應(yīng)力

（3）由內(nèi)壓對B-B 截面產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力

（4）組合軸向拉應(yīng)力

1.1.2 由內(nèi)壓引起的環(huán)向拉應(yīng)力

σI= Pi× ( d +δ ) / 2δ = 91.575 MPa ≤[σ]t

1.1.3 剪應(yīng)力

（1）扭矩引起的剪應(yīng)力τπ

（2）外力Fy，F(xiàn)z引起的剪應(yīng)力

（3）組合剪應(yīng)力

τ = τn+ τF= 18.38 MPa ≤0.6 [σ]t

1.1.4 組合應(yīng)力

操作時(shí)最大主應(yīng)力：

停工時(shí)最大主應(yīng)力：

1.2 不采用過渡短節(jié)時(shí)，接管端部即圖3中A-A截面受力分析

1.2.1 軸向拉應(yīng)力：

（1）由彎矩引起的軸向拉應(yīng)力σω

總彎矩：

圖3 不帶短節(jié)接管受力Fig.3 Diagram of force on nozzle without transitional short section

彎矩引起的軸向拉應(yīng)力：

（2）Fx作用的軸向拉應(yīng)力

（3）由內(nèi)壓對A-A 截面產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力

（4）組合軸向拉應(yīng)力

1.2.2 由內(nèi)壓引起的環(huán)向拉應(yīng)力

σI= Pi×( d + δ ) / 2δ = 91.575 MPa ≤[σ]t

1.2.3 剪應(yīng)力

（1）扭矩引起的剪應(yīng)力τπ

（2）外力Fy，F(xiàn)z引起的剪應(yīng)力τF

（3）組合剪應(yīng)力

通常原子以光子的形式吸收輻射，這使其電子躍遷到高能態(tài)，然后這些電子自發(fā)降到低能態(tài)，釋放出光子，這就是“自發(fā)發(fā)射”。但是，如果把足夠的電子放到一種介質(zhì)中，使其處于受激態(tài)，新光子會(huì)使電子降到低能態(tài)，釋放出光子而不吸收光子。在這種情況下，適當(dāng)調(diào)諧的光子具有特定的波長、相位和方向，會(huì)誘導(dǎo)受激電子釋放出具有同樣性質(zhì)的光子?，F(xiàn)代的激光器中包含激發(fā)電子的輸入能源裝置，這種裝置處于一種類似晶體的介質(zhì)中，這種介質(zhì)位于兩塊鏡子之間，其中的一塊鏡子只是局部反射光線。在兩塊鏡子之間持續(xù)反射的光不斷受激發(fā)射，形成通過局部反射的鏡子射出的單色光（激光）。

τ = τn+ τF= 18.38 MPa ≤0.6 [σ]t

1.2.4 組合應(yīng)力

操作時(shí)最大主應(yīng)力：

停工時(shí)最大主應(yīng)力：

1.3 兩種情況受力對比總結(jié)

通過以上的計(jì)算分析可以看出，增加短節(jié)時(shí)，接管端部所受的總彎矩小于不增加短節(jié)時(shí)該處受到的總彎矩，因此彎矩引起的應(yīng)力較小。而由內(nèi)壓引起的應(yīng)力及剪應(yīng)力在兩種情況下，未發(fā)生變化。

1.1 節(jié)中增加短節(jié)L 后產(chǎn)生的力矩方向與初始力矩方向相反，因此降低了鍛管端部的受力。

若保持初始力矩大小不變，將方向發(fā)生變化，經(jīng)計(jì)算，增加短節(jié)L 的情況下，接管端部即圖2 中B-B截面所受組合軸向拉應(yīng)力為102.19 MPa，相比不增加短節(jié)時(shí)的92.5 MPa 增加了約20%。

2 采用過渡短節(jié)與不采用過渡短節(jié)的制造過程對比

因螺紋鎖緊環(huán)壁厚較大，且多數(shù)為鉻鉬鋼制造，因此設(shè)備制造完畢后需要進(jìn)行整體焊后熱處理。

不帶過渡短節(jié)的接管與殼體焊接后直接隨設(shè)備進(jìn)行焊后熱處理，而帶過渡短節(jié)的接管，過渡短節(jié)根據(jù)材料不同，與接管相焊的時(shí)機(jī)不同，對接處堆焊的焊材也不同。而過渡短節(jié)材料通常與接管的對接管線材料相對應(yīng)。

2.1 設(shè)備鍛管為鉻鉬鋼+堆焊（E309L+E347），對接管線為S32168不銹鋼

過渡短節(jié)材質(zhì)選定為S32168，接管與不銹鋼短節(jié)焊接如圖4，此時(shí)接管與短節(jié)焊接應(yīng)在設(shè)備最終熱處理之后，水壓試驗(yàn)前進(jìn)行。

圖4 鍛管與短節(jié)焊接Fig.4 Detail of welding forging nozzle and transitional short section

2.2 設(shè)備接管為鉻鉬鋼+堆焊（E309L+E347），對接管線為SA106.GR.B碳鋼

過渡短節(jié)材質(zhì)選定為16Mn 鍛件，接管與過渡短節(jié)焊接如圖5，此時(shí)接管與短節(jié)焊接也應(yīng)在設(shè)備最終熱處理之后，水壓試驗(yàn)前進(jìn)行。但接管與短節(jié)焊接完畢后需對環(huán)向焊接接頭進(jìn)行局部消除應(yīng)力熱處理。該種情況下，增加過渡短節(jié)，就免去了工程現(xiàn)場對管線與接管對接環(huán)縫做局部熱處理的步驟。

圖5 鍛管與短節(jié)焊接Fig.5 Detail of welding forging nozzle and transitional short section

3 結(jié)論

本篇文章在受力和制造兩方面對比了螺紋環(huán)換熱器接管帶過渡短節(jié)與不帶過渡短節(jié)的不同：

（1）當(dāng)增加短節(jié)后產(chǎn)生的力矩方向與初始力矩方向相反時(shí)，會(huì)降低接管端部的受力；反之，受力會(huì)有少許增加，但因?yàn)橥ǔ＿^渡短節(jié)長度較短，增加的應(yīng)力不會(huì)太大。

（2）增加過渡短節(jié)，尤其是對接管線為碳鋼時(shí)，可以免去工程現(xiàn)場對管線與接管對接環(huán)縫做局部熱處理的步驟。

綜上，本文分析了螺紋環(huán)換熱器接管采用與不采用過渡短節(jié)與對接管道連接時(shí)的受力，總結(jié)了制造過程中的不同之處，為以后的設(shè)計(jì)和更廣泛的應(yīng)用提供依據(jù)。